第一作者：谢惜芸，马睿杰
通讯作者：马睿杰，吴佳莹，Aung Ko Ko Kyaw李刚
通讯单位：香港理工大学，南方科技大学，香港科技大学（广州）
DOI: 10.1002/aenm.202401355
1、研究背景
尽管有机太阳能电池（OSCs）在单结器件中的能量转换效率（PCE）正逼近20%的里程碑，但将这些高效体系的生产成本降至经济实用水平尚未成为现实。这主要是由于稠环分子受体在合成上的复杂性（SC）不仅增加了成本，而且也增加了生产难度。迄今为止，只有少数案例实现了令人满意的品质因数（FoMs）与高PCE并存。另一方面，追求高效率的努力通常集中在薄膜（约100纳米活性层）器件上，但对于下一阶段卷对卷印刷制造而言，>300纳米厚度活性层基器件的研究结果更具指导意义。因此，该领域迫切需要对基于非融合环分子受体的高性能厚膜（≥300纳米）OSCs付出相应的研究努力，但目前这一类型高性能器件仍然十分罕见。
与稠环分子相比，通过C-C键连接的非融合小分子在平面性和刚性方面天然较差，因此导致分子内电荷转移不足，通常会导致激子生成效率不理想。此外，根据我们最近对激子扩散长度与纯相长度尺度（LD/2Rg）与电荷生成之间关系的理解，在体异质结（BHJ）中，不建议使用具有较大相区尺寸的非融合受体。然而，已证实高PCE的厚膜器件中通常包含有大尺寸的晶体/聚集体，特别是对于小分子受体。因此，传统的活性层混溶制备的沉积方法无法提高基于非稠环受体的厚膜器件的效率。
近年来，采用逐步沉积（SD）施加给体层和受体层已成为一种新兴的制备方法，以实现高效和可重复的设备，这得益于明确的垂直给体-受体（D/A）相分离，以及更均匀的膜质量。这种方法已被证明有效地提升厚膜设备的PCE，然而与薄膜设备相比，效率损失仍然显著，这主要是由于激子复合作用更为严重。鉴于此，一旦进行了更精细的优化以进一步抑制复合作用，SD将是实现厚膜非稠环OSC效率突破的有希望的方法。
2、研究成果
在我们的研究中，从材料库中精选出D18作为给体材料，凭借其强大的结晶性和与非稠环受体的良好兼容性，与我们深入研究并证明表现优异的A4T-16相匹配。通过使用邻二甲苯加1,8-二碘辛烷（XY+DIO）的共溶剂处理，我们开启了一段新的旅程。为了更好地比较性能，我们定义了一个新的指标，称为品质因数-X（FoM-X = FoM*(d/100 nm)），其中d是活性层的厚度。首先，我们通过混溶涂布法研究了D18:A4T-16混合物在100纳米和300纳米厚度情况下的表现。结果显示，100纳米器件实现了最佳的能量转换效率（PCE）12.04%，而300纳米电池的PCE仅为9.04%。牺牲的开路电压（VOC）、短路电流密度（JSC）和填充因子（FF）表明，如预测的那样，膜厚增加对电荷生成和收集有不利影响。
另一方面，我们采用了逐步沉积（SD）方法，即先铸造溶解在氯仿（CF）中的D18溶液，然后铸造A4T-16（在XY+DIO中）。令人惊讶的是，带有60纳米D18层的SD设备，在A4T-16层从40纳米增加到240纳米时，性能变化微乎其微（15.08%对比14.75%）。当D18层的厚度增加到180纳米，而受体层减少到120纳米时，效率回落到10.24%，这再次是由于VOC、JSC和FF的同时损失所致。随后，形貌学和光物理学的表征揭示，SD光活性层包含足够的D/A界面进行电荷分离，并具有良好调控的晶体特征。然后，我们将所需的D/A互渗和分层的SD方法扩展到D18:BTP-eC9体系，采用相同的制造配方，分别在300纳米和500纳米设备上实现了17.00%和12.53%的PCE。我们的工作呈现了一种新颖的策略和深入的理解，一种评估设备性能的新概念用于提升厚膜OSC的效率，以及非稠环OSC器件综合性能的一次突破。
3、图文介绍
要点：
D18在邻二甲苯中几乎不溶解，有利于形成良好的垂直相分离。
要点：
1. D18能有效改变A4T-16的结晶取向，进而影响上层A4T-16的晶体生长方式。
2. D18能加快A4T-16的固液转换速度，更易得到厚膜。
4、小结
总的来说，我们的目标是构建基于低成本非稠环受体的高活性层厚度的高效有机太阳能电池（OSCs），并比较混溶涂布和逐步沉积（SD）处理的效果。体异质结（BHJ）薄膜因缺乏纤维状结构而表现不佳，而通过控制给体层厚度的SD薄膜可以实现高能量转换效率（PCE），这得益于D/A的同时互渗和分层。在多种形貌学和器件物理的表征助力下，我们展示了SD薄膜对厚度不敏感的工作机理。此外，通过结合合成复杂性和活性层厚度的视角，我们定义了一个新的指标FoM-X，并证明我们的工作在实现前沿水平的FoM-X方面取得了成功。因此，这项研究在给受体界面行为、SD型薄膜的垂直分离以及显著的性能进步方面产生了深入的理解。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202401355
5、作者简介
李刚，香港理工大学电机与电子工程学系 讲席教授，鍾士元爵士可再生能源冠名教授。研究聚焦于可印刷太阳能电池（有机聚合物太阳能电池，钙钛矿太阳能电池）及相关领域。本科毕业于武汉大学空间物理学系，爱荷华州立大学凝聚态物理博士及电机工程硕士。2016年来港前为加州大学洛杉矶分校UCLA研究教授。李刚教授发表科技期刊论文200余篇，被引80000余次，H-因子93（谷歌学术）。他是美国光学学会会士（Optica Fellow）英国皇家化学会会士（RSC Fellow），国际光电工程学会会士（SPIE Fellow）香港研究资助局高级研究学者 (RGC SRFS)。自2014年至今为汤森路透/科睿唯安 全球高被引科学家（材料科学，化学，物理, 交叉领域）。
马睿杰，香港理工大学卓越博士后研究员。2014-2018年于浙江大学取得物理学学士学位（导师：袁辉球教授、刘洋教授），2018-2022年在香港科技大学攻读化学博士学位（导师：颜河教授）。2022年8月加入香港理工大学电机与电子工程系李刚教授团队。主要从事第三代太阳能光伏器件的前沿科研。2018年入选香港政府研究生奖学金计划（HKPFS）。作为第一或通讯作者参与发表期刊论文60余篇， 包括：Joule (2篇)，Nat. Commun（1篇），Adv. Mater (3 篇)，Energy. Environ. Sci (4篇)，Angew. Chem. Int. Ed. （3篇），Adv. Energy Mater (7篇)。总引用次数超过6500次，H-因子 45。2022、2023年连续入选科睿唯安数据库交叉领域“全球高被引科学家”。2023年入选全球前2%科学家。担任高起点国产期刊 正式青年编委，香港理工大学主办国际期刊 首届青年编委。荣获 2023年新锐科学家。
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